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À la recherche d’une théorie de Tout
ou
Les physiciens en quête du GRAAL
« Ce qui est incompréhensible, c’est que l’Univers soit compréhensible »
Albert Einstein
prix Nobel de Physique 1921
« Je pense que nous ne parviendrons jamais à expliquer les principes fondamentaux de la Science »
Steven Weinberg
prix Nobel de Physique 1979
Depuis qu’une étincelle d’intelligence a jailli dans le cerveau du genre Homo, ce dernier n’a jamais cessé de vouloir comprendre le
monde qui l’entoure. Les explications qu’Il s’est donné ont varié à mesure que les observations s’accumulaient. Pour tenter de se
faire une idée très simplificatrice de cette évolution au cours des millénaires, on pourra retenir les grandes étapes suivantes :
 la période naïve ou magique de l’Homme préhistorique qui associait un esprit à tous les objets: par ex. l’esprit soleil, l’esprit
lune, ou l’esprit fleur...
 la période mythique ou religieuse avec une description qui s’est faite plus complexe: par ex. les univers babylonien ou
égyptien ou chinois ...
 la période rationnelle ou scientifique engendrée principalement par la pensée grecque selon laquelle la raison humaine doit
être capable d’appréhender les lois naturelles.
Cette dernière approche qui est la notre aujourd’hui, s’est considérablement développée, enrichissant savoir et connaissance et

engendrant aussi des applications dans toutes sortes de domaines. Ainsi la Science est devenue une reine au point que rien ne
semble plus devoir lui résister. Grisé par les conquêtes éblouissantes de cette fin du millénaire, l’Homme n’ambitionne pas moins
que de bâtir une théorie à partir de laquelle tout ce que recèle l’Univers et l’Univers lui-même, pourraient s’expliquer de façon
logico-déductive. Ainsi, Stephen Hawking n’a t-il pas hésité à intituler sa lecture inaugurale à la chaire de Newton à Cambridge:
« A-t-on en vue la fin de la Physique théorique ? »
Cette théorie a été baptisée Théorie du Tout, expression inventée dans les années 60 par un écrivain polonais du nom de Stalisnas
Lem qui marquait ainsi son scepticisme. Depuis, les théoriciens font des efforts gigantesques pour y parvenir, convaincus pour
certains que l’objectif est à portée. Et pourtant.....!!
Les points faibles des théories récentes
Durant le siècle dernier, la Physique théorique et expérimentale a connu des développements spectaculaires . Trois grandes théories
ont constitué des percées majeures:
 La théorie de la relativité restreinte (1905) puis généralisée (1915)
C’est l’oeuvre d’Albert Einstein. Ses principales conclusions sont les suivantes :
 pour la version « restreinte » :
* L’espace et le temps ne sont plus des grandeurs absolues et indépendantes comme le supposait implicitement Newton; ils
sont liés et dépendent du mouvement
* La scène de la physique est ainsi un espace-temps dynamique à 4 dimensions.
. * Il y a équivalence entre la masse et l’énergie : E = mc2 selon la formule bien connue.

 pour la version « généralisée » :
* Le champ gravitationnel, créé par une masse, déforme l’espace-temps à son voisinage : il
y a courbure de l’espace et ralentissement du temps.
* La trajectoire de rayons lumineux dans cet espace courbé est une géodésique (ou
chemin le plus court, équivalent à la droite dans un espace plan). Voir figure ci-contre.
* la courbure et la matière (ou l’énergie) sont reliées par des équations, dites équations
d’Einstein, qui sont à la base de la cosmologie contemporaine.
· Points faibles :
* La relativité ne prend en compte que la force de gravité. Elle ignore les autres forces fondamentales qui agissent dans la
Nature (voir ci-dessous).
* Elle cesse d’être valable en deçà de ce qu’on appelle le mur de Planck,soit 10-43 sec après le Big Bang, là où la température
est gigantesque, 1032 °K, mur qui se dresse donc pour nous barrer le chemin vers la connaissance de l’origine de l’Univers.
 La mécanique quantique
 C’est une oeuvre collective développée aux alentours des années 1920 par Niels Bohr (Copenhague), Werner Heisenberg
(Munich), Paul Dirac (Cambridge), Erwin Schrodinger(Zurich)...C’est une théorie du monde subatomique dont les points
importants, déroutants pour notre bon sens, sont les suivants :
* Une particule possède une double nature: elle peut être à la fois onde et corpuscule: c’est la dualité onde-corpuscule
énoncée pour la première fois par le Français Louis de Broglie.
* La localisation spatiale d’une particule est de nature probabiliste.
* On ne peut connaître simultanèment avec la plus grande précision souhaitée deux grandeurs caractéristiques d’une
particule, par ex. sa position et sa vitesse: ce sont les relations d’incertitude d’Heisenberg.
 Point faible :
La mécanique quantique prend en compte les forces fondamentales, sauf la gravité.

 La physique des particules
Eucippe et son disciple Démocrite ont été les premiers à suggérer au IVe siècle av. J.-C. que la matière pouvait être décomposée en
atomes (du grec a-tomos: qu’on ne peut briser).
Depuis, le zoo des particules s’est considérablement enrichi. Elles sont classées en groupes et familles au sein d’un modèle dit
standard. Pour ne citer que l’essentiel de cette classification, nous mentionnerons :
* le groupe des fermions (en souvenir du physicien italien Enrico Fermi, père de la première pile atomique) comportant
notamment les électrons et les quarks qui sont les constituants ultimes de la matière observés expérimentalement. Par ex: le
noyau le plus simple, celui de l’hydrogène ou proton, est constitué de 3 quarks.
* le groupe des bosons (en souvenir du physicien indien S.Bose et de ses contributions à la théorie quantique). Ces particules ont
un statut spécial: ce sont des particules d’échange, on dit aussi messagères, car le modèle suppose que c’est par leur intermédiaire
que s’exercent les forces d’interaction entre les particules de matière , ces forces étant au nombre de 4 : deux forces intra-
nucléaires dites faible (qui gouverne la radioactivité), forte (qui lie les quarks entre eux), la force électromagnétique (qui se
manifeste sous la forme de l’électricité, du magnétisme et des ondes en général), et la force de gravitation (qui s’exerce à

l’échelle de l’univers).
Interactions et bosons messagers
F.électromagnétique
Interaction faible
Interaction forte
Gravitation
photon
bosons W±, Z0
gluons
graviton ?
portée infinie, avec la
distance
portée 10-16cm
portée 10-13 cm, avec la distance
portée infinie, avec la distance
 Point faible
* Il y en a plusieurs mais pour rester simples, nous n’en citerons qu’un: on ne comprend pas pourquoi les particules ont une
masse ni pourquoi telle particule a telle masse. Il y a bien un mécanisme qui a été suggéré par l’Écossais Peter Higgs en 1963
mais ce mécanisme met en jeu un boson particulier , le boson de Higgs qui n’a pas encore été observé; c’est l’un des premiers
objectifs du LHC (Large Hadron Collider) du CERN qui doit être mis en service en 2007.
* Plus généralement les théories précédentes ont un point faible commun: c’est qu ’elles utilisent des paramètres dans les lois
qu’elles expriment mais elles sont incapables de prédire la valeur de certains de ces paramètres, qui n’est obtenue que par
l’expérience : par ex. la masse et la charge de l’électron, la constante de gravitation etc... il y en a en tout une quinzaine.
En conclusion, on voit que ces constructions merveilleuses, dotées d’une capacité d’explication et de prévision extrêmement
puissantes, ne sont en définitive pas entièrement satisfaisantes :
* d’une part, elles ne sont pas auto-suffisantes c’est à dire qu’elles ont besoin de données empiriques.
* d’autre part, deux d’entre elles sont incompatibles quant à leurs domaines d’application et à leurs fondements :
- la relativité ne prend en compte que la force de gravité, est déterministe et s’applique aux grandes échelles d’espace.
- la mécanique quantique ignore la force de gravité, est indéterministe et constitue la physique du microcosme.
Vers la théorie de tout
Pour tenter de concilier ces multiples aspects, les physiciens ont un « fil rouge »: ils recherchent des principes plus fondamentaux ,